JP2023132956A - 照射計画装置、照射計画プログラム、照射計画決定方法、および荷電粒子照射システム - Google Patents

Abstract

【課題】正常組織のダメージを低く保ちながら、標的の治療効果を高めることができる照射計画装置、照射計画プログラム、照射計画決定方法、および荷電粒子照射システムを提供する。【解決手段】イオン源２で生成した荷電粒子を線形加速器４およびシンクロトロン５で加速して標的８０に照射する荷電粒子照射システム１の照射パラメータデータ６７を決定する計画装置７０について、１つの標的８０に対する照射パラメータデータ６７を、複数種類のイオン種の荷電粒子を組み合わせて決定し、荷電粒子の照射の順序を、線エネルギ付与が小さいイオン種の順序が先になるように決定する計画プログラム７３とこれを実行するＣＰＵ７１を備えた。【選択図】図２

Description

この発明は、例えば標的に荷電粒子を照射する荷電粒子照射システムの照射計画を作成するような照射計画装置、照射計画プログラム、照射計画決定方法、および荷電粒子照射システムに関する。

従来、荷電粒子をがん細胞などの患部に照射する重粒子線治療を行う装置が提供されている。炭素線治療などの重粒子線治療では、標的内に一様な臨床効果を実現することが好ましい。このためには、吸収線量に生物学的効果比（ＲＢＥ）を掛け合わせた臨床線量を定義し、それが標的内で一様になるように照射計画を立案するといったことができる。

図６（Ａ）は、単一のイオン種の荷電粒子を照射する照射スポットを説明する説明図である。この図は、標的の縦断面をビーム進行方向側面から見た図である。図示するように、体表面１８８の奥にある腫瘍領域１８２に対して、照射方向垂直面に配置したスポットＳＰを照射方向へ配置して３次元的にスポットＳＰを配置する。このスポットＳＰに順次イオン種のビームを図示矢印方向から照射していき、腫瘍領域１８２を塗りつぶすように照射する。

図６（Ｂ）は、このような炭素線治療による深部線量分布図である。この図には、臨床線量１９１、ＲＢＥ１９２、およびイオン種照射線量１９３の深度分布を示している。炭素線治療で標的内に一様な臨床線量を設計する場合、それを実現するための炭素線の線質（ＬＥＴ）分布はほぼ一意に決定される。ここでＲＢＥ１９２に誤差１９２ａ，１９２ｂがあった場合、臨床線量１９１の分布に大きなゆがみ１９１ａ，１９１ｂが発生し、臨床線量分布が大きく悪化する可能性がある。

ＲＢＥは、線質（粒子種やＬＥＴ）、線量レベル、細胞種、エンドポイントなどに依存し、それ自体に大きな誤差が付随する。従って、臨床線量分布が大きく悪化することを防止するために、このＲＢＥの誤差を軽減することが望まれる。

このような荷電粒子の照射装置について、例えば、複数種類のイオン種の荷電粒子を組み合わせて、１つの標的に対する照射パラメータを決定する照射計画装置が提案されている（特許文献１参照）。

このような荷電粒子の照射装置では、骨軟部肉腫や膵がんといった難治性の腫瘍に対する治療成績を劇的に改善させることを目的として、従来技術よりも正常組織へのダメージを低く保ちながら、がん細胞の殺傷効果をさらに高めていくことが望まれている。

特開２０１３－２３３２３３

この発明は、上述の課題に鑑みて、正常組織へのダメージを低く保ちながら、標的の治療効果を高めることができる照射計画装置、照射計画プログラム、照射計画決定方法、および荷電粒子照射システムを提供することを目的とする。

この発明は、所定のイオン種の荷電粒子を加速器で加速して標的に照射する荷電粒子照射システムの照射パラメータを決定する照射計画装置であって、１つの標的に対する前記照射パラメータを、複数種類のイオン種の前記荷電粒子を組み合わせて決定する、複合照射パラメータ決定手段を備え、前記複合照射パラメータ決定手段は、前記標的内の少なくとも一部の部位に対して複数種類の前記イオン種の荷電粒子を照射するよう決定する照射イオン種決定処理と、前記照射イオン種決定処理により決定した複数種類のイオン種のうち線エネルギ付与が小さいイオン種の荷電粒子を先に照射するよう照射順序を決定する照射順序決定処理とを実行する照射計画装置、またはその照射計画プログラム、照射計画決定方法、および荷電粒子照射システムであることを特徴とする。

この発明により、正常組織のダメージを低く保ちながら、標的の治療効果を高めることができる照射計画装置、照射計画プログラム、照射計画決定方法、および荷電粒子照射システムを提供できる。

荷電粒子照射システムの構成を示す構成図。 計画装置のＣＰＵが実行する計画プログラムのフローチャート。 複数種類のイオン種の荷電粒子の複合照射とその効果の説明図。 複数種類のイオン種の荷電粒子を照射した場合の一例を説明するＣＴ撮影画像を示す図。 ヘリウム線および酸素線の連続照射の深部線量分布グラフと、深部生残率分布グラフ。 従来のイオン種照射とその効果の説明図。

以下、この発明の一実施形態を図面と共に説明する。
図１は、荷電粒子照射システム１の構成を示す構成図である。荷電粒子照射システム１は、複数のイオン源２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）と、複数イオン源接続部３と、線形加速器４と、シンクロトロン５と、搬送系６と、固定照射部２０と、回転ガントリ２２と、これらを制御する制御装置５０を備えている。そして、制御装置５０には、治療計画データを送信する計画装置７０が接続されている。

イオン源２は、原子から電子を取り除いてイオンを生成する装置であり、第１種のイオン種を取り出す第１イオン源２Ａと、第２種のイオン種を取り出す第２イオン源２Ｂと、第３種のイオン種を取り出す第３イオン源２Ｃとを有する。第１から第３の各イオン源２は、それぞれ酸素イオン、炭素イオン、ヘリウムイオンを生成するなど、異なる種類のイオンを生成するように構成されている。
複数イオン源接続部３は、第１イオン源２Ａ～第３イオン源２Ｃを選択的に線形加速器４に接続する接続部である。複数イオン源接続部３は、制御装置５０の制御により、線形加速器４へイオン種を供給するイオン源２を、第１イオン源２Ａ～第３イオン源２Ｃのいずれか１つに適宜切り替える。

線形加速器４は、加速器の一種であり、イオン源２から供給される荷電粒子を電磁石によって所定エネルギまで加速し、シンクロトロン５に供給する。
シンクロトロン５は、加速器の一種であり、線形加速器４から入射した荷電粒子を電磁石によって周回軌道上でさらに加速して高エネルギにする加速器である。

搬送系６は、シンクロトロン５から射出部１１によって取り出された荷電粒子を照射装置２５まで電磁石により搬送する。
射出部１１は、シンクロトロン５と搬送系６の接続部分に設けられ、制御装置５０の制御に従ってシンクロトロン５から荷電粒子を搬送系６へ射出する。
切替部１２は、搬送系６上に設けられ、制御装置の制御に従って、搬送系６で搬送される荷電粒子をどの治療室９（９Ａ，９Ｂ，９Ｃ）の照射装置２５へ搬送するかを切り替える。
治療室９Ａ，９Ｂに設けられた固定照射部２０は、後端の照射装置２５から荷電粒子を照射する。

治療室９Ｃに設けられた回転ガントリ２２は、回転により荷電粒子の照射方向を変更でき、変更後の照射方向へ向けて後端の照射装置２５から荷電粒子を照射する。なお、治療室９Ａ、９Ｂのような固定照射部２０を備える治療室の場合、患者が乗せられているベッドや台を移動および／または回転させることで、患者および患者体内に位置する標的に対する照射方向を変更することができる。

照射装置２５は、荷電粒子のＸＹ方向（荷電粒子の照射方向に対する垂直平面方向）の位置をＸ方向スキャニング磁石とＹ方向スキャニング磁石で制御し、荷電粒子のＺ方向（荷電粒子の進行方向）の停止位置をエネルギ変更部（レンジフタ）により制御し、スキャニングモニタにより照射スポット別の荷電粒子の照射線量を計測する。すなわち、照射装置２５は、荷電粒子の照射スポットの３次元位置の制御と照射線量を計測するスキャニング照射装置として機能する。このスキャニング照射装置は、荷電粒子が細く絞られたペンシルビームを３次元的に走査し、腫瘍を塗りつぶすようにして治療を行う。

制御装置５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）５１と記憶部５２とを有している。記憶部には制御プログラム６０と電流値変更パターンデータ６６と照射パラメータデータ６７と最大深度データ６８等、各種のプログラムとデータが記憶されている。ＣＰＵ５１は、制御プログラム６０等のプログラムに従って電流値変更パターンデータ６６および照射パラメータデータ６７等のデータを用いて動作する。この動作により、制御装置５０は、イオン源切替部６１、加速器制御部６２、照射位置制御部６３、停止位置制御部６４、及び線量モニタ部６５として機能する。また、ＣＰＵ５１は、イオン源切替部６１でイオン種を切り替えて加速器制御部６２で適切な電流値での加速を行い照射位置制御部６３および停止位置制御部６４で照射スポットを変更していく制御を行う複数イオン種照射制御部としても機能する。

イオン源切替部６１は、荷電粒子を発生させるイオン源を第１イオン源２Ａから第３イオン源２Ｃのいずれか１つに切り替える制御を行う。これにより、スピル間でイオン種を切り替えることができる。
加速器制御部６２は、イオン源２から供給されるイオン種に応じ電流値変更パターンデータ６６から適切な電流値変更パターンを読み出し、この電流値変更パターンに従って線形加速器４の電磁石に流す電流値を制御する。

照射位置制御部６３は、照射装置２５のＸ方向スキャニング磁石とＹ方向スキャニング磁石を制御駆動し、標的に向かって射出する荷電粒子の進行方向垂直面での位置（ＸＹ方向の位置）を制御する。
停止位置制御部６４は、照射装置２５のエネルギ変更部を制御駆動し、荷電粒子の進行方向（Ｚ方向）の停止位置を制御する。
線量モニタ部６５は、照射装置２５の線量モニタによって計測された照射スポット別の照射線量を取得する。

電流値変更パターンデータ６６は、イオン種別に線形加速器４、シンクロトロン５、および線形加速器４の電磁石に流す電流値のパターンデータである。この電流値変更パターンデータ６６を記憶する記憶部５２は、電流パターン記憶部として機能する。

照射パラメータデータ６７は、スポット番号、Ｘ位置、Ｙ位置、エネルギ，照射量、及びイオン種を有するデータである。エネルギは、Ｚ方向の照射位置を示している。照射量は照射する荷電粒子の個数または線量を示している。イオン種は、イオン種名、イオン種番号、または第１イオン源２Ａから第３イオン源２Ｃのどのイオン源を用いるかを示すイオン源ＩＤなど、照射すべきイオン種を特定できる適宜の情報で構成される。この照射パラメータデータ６７は、計画装置７０から受け取って記憶部５２に記憶される。

最大深度データ６８は、荷電粒子照射システム１で照射できるイオン種別の最大深度を記憶している。この最大深度は、重いイオン種（高ＬＥＴ（Ｌｉｎｅａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）放射線）ほど浅く、軽いイオン種（低ＬＥＴ放射線）ほど深くなる。従って、軽いイオン種については設定せず、使用可能なイオン種の一部の重いイオン種にのみ設定する構成としてもよい。ここでいう「軽い」と「重い」の比較は、各イオン種の線エネルギ付与（ＬＥＴ）が小さいか大きいかの比較である。例えば、ヘリウムイオン（Ｈｅ）は、酸素イオン（Ｏ）と比較して線エネルギ付与（ＬＥＴ）が小さいため、ヘリウムイオンは酸素イオンより「軽い」となる。

制御装置５０は、その他にも射出部１１から荷電粒子を射出する制御、切替部１２により荷電粒子の照射先を切り替える制御等も実行する。
この制御装置５０による照射スポットの切り替えとイオン種の切り替えは、適宜の順に行うとよい。例えば、１つのイオン種について全照射スポットへの照射を完了してから次のイオン種に切り替える、あるいは所定範囲の照射スポットについて全てのイオン種を照射してから次の所定範囲の照射スポットに切り替えるといったことができる。所定範囲の照射スポットは、１つの照射方向深さ位置における照射方向垂直面の全照射スポットとする、あるいは１つの照射スポットとするなど、適宜の範囲とすることができる。なお、イオン種を変更すると電流値変更パターンデータ６６に従ってシンクロトロン５等に流す電流値を変化させる必要があるため、イオン種別に全照射スポットに照射していくことが望ましい。

この荷電粒子照射システム１により、イオン源２で複数種類の異なるイオン種の前記荷電粒子を生成でき、この複数のイオン種を切り替えて、加速した各イオン種の荷電粒子を１つの標的に照射できる。

計画装置７０は、ＣＰＵ７１、記憶部７２、入力部７４、および表示部７５を有するコンピュータであり、照射計画装置として機能する。
記憶部７２は、照射計画プログラムとしての計画プログラム７３等の各種プログラムと各種データを記憶している。
ＣＰＵ７１は、計画プログラム７３等のプログラムに従って記憶部７２のデータを用いて動作する。この動作により、計画装置７０は、照射パラメータデータ６７を作成し、この照射パラメータデータ６７を制御装置５０に送信する。
入力部７４は、キーボードとマウス等の入力装置で構成され、治療計画者等の入力操作を受け付ける。
表示部７５は、ディスプレイ等の文字および画像を表示する表示装置で構成され、ＣＴ撮影画像やＭＲＩ画像やＰＥＴ画像等の各種画像と各種領域（ＧＴＶ，ＣＴＶ，ＰＴＶ）等を表示する。

このように構成された荷電粒子照射システム１により、照射パラメータデータ６７に基づいて、複数のイオン種を用いることで荷電粒子のビーム強度を変調して照射する強度変調混合イオン照射法（ＩＭＣＩＴ）を実行できる。

次に、計画装置７０により複数のイオン種を用いた照射パラメータデータ６７を作成するための演算について説明する。
本発明の強度変調混合イオン照射法は、“どのイオン種ｍを”、“どのスポットｉに”、“何個ｗ_ｉ，ｍ”照射するか、をインバースプランニングにより決定していく。なお、スポットｉは照射パラメータデータ６７のスポット番号を示す。

まず、照射するイオン種数Ｍとそのイオン種を選択し、各イオン種について各スポットに照射する線量カーネルを作成する。線量カーネルｄ_ｉ，ｍ（ｒ）とは、スポットｉに照射するイオン種ｍのペンシルビームが患者体内の位置ｒに付与する線量を表す。この線量カーネルｄ_ｉ，ｍ（ｒ）は、各イオン種の物理的特性を反映したものとなる。ここでいう物理的特性は、散乱によるビームの拡がり、核破砕片の生成量、ＬＥＴ（Ｌｉｎｅａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ：線エネルギ付与）である。

強度変調混合イオン照射法の治療計画では、目的に応じて、最小二乗法等による繰り返し演算の評価指標ｆを定式化することで、その目的に合わせた照射パラメータ（ｗ_ｉ，ｍ）を決定することができる。

＜１＞ 第１の評価指標ｆ
評価指標ｆは、第１の例として、次の数１および数２に示す数式で算出することができる。

［数１］に示す評価指標ｆは、３項の式で構成されている。第１項と第２項は、ターゲットに対する演算である。ここでターゲットとは、医師等が指定した腫瘍の浸潤領域に基づいて照射誤差等を考慮して定めた照射領域をいう。第３項は、ＯＡＲ（Ｏｒｇａｎ Ａｔ Ｒｉｓｋ：重要臓器）に対する演算である。

第１項は、上限許容値を超える場合に対するペナルティを示しており、Ｑ_Ｔ ^ＯとＨ’［（減算）］^２の乗算となっている。（減算）部分は、複数種類のイオン種ｍの核種をｗ_ｍ個照射した場合に標的の各位置ｊ（患者体内の３次元位置，スポットｉで特定される位置の解像度より高解像度に特定することが好ましい）に与える線量から、上限許容値となる最大線量Ｄ_Ｔ ^ｍａｘを減算する式である。Ｈ’［ ］部分は、ヘビサイドファンクションであり、（減算）部分の値が正ならその値を取り出し、負ならゼロとする。これにより、線量が上限許容値以下になれば、この第１項は、適切な値であるからゼロとなり、評価指標ｆを増加させない。Ｑ_Ｔ ^Ｏは、ペナルティ係数であり、大きく設定するとＨ’［（減算）］^２で算出される上限許容値を超えた値が評価指標ｆに大きく影響を与える。

第２項は、下限許容値を下回る場合に対するペナルティを示しており、Ｑ_Ｔ ^ＵとＨ’［（減算）］^２の乗算となっている。（減算）部分は、複数種類のイオン種ｍの核種をｗ_ｍ個照射した場合に標的の各位置ｊ（患者体内の３次元位置）に与える線量を、下限許容値となる最大線量Ｄ_Ｔ ^ｍｉｎから減算する式である。Ｈ’［ ］部分は、線量が下限許容値以上になれば、この第２項は、適切な値であるからゼロとなり、評価指標ｆを増加させない。Ｑ_Ｔ ^ｕは、ペナルティ係数であり、大きく設定するとＨ’［（減算）］^２で算出される下限許容値を下回る値が評価指標ｆに大きく影響を与える。

第３項は、重要臓器に対して照射可能な線量の上限許容値を超える場合に対するペナルティを示しており、Ｑ_ｏ ^ｏとＨ’［（減算）］^２の乗算となっている。（減算）部分は、複数種類のイオン種ｍの核種をｗ_ｍ個照射した場合に標的の各位置ｊ（患者体内の３次元位置）に与える線量から、上限許容値となる最大線量Ｄ_Ｏ ^ｍａｘを減算する式である。Ｈ’［ ］部分は、線量が上限許容値以下になれば、この第１項は、適切な値であるからゼロとなり、評価指標ｆを増加させない。Ｑ_Ｔ ^Ｏは、ペナルティ係数であり、大きく設定するとＨ’［（減算）］^２で算出される上限許容値を超えた値が評価指標ｆに大きく影響を与える。

例えば、標的周辺の領域をＯＡＲとして設定し、第３項の重要度係数Ｑ_Ｏ ^Ｏを大きな値に設定したとする。最適な線量分布から最適な照射方法を逆計算するインバースプランニングでは、評価指標ｆ（ｗ_ｍ）が最小となるように各スポットｉに照射するイオン種ｍの個数ｗ_ｉ，ｍを最適決定する。従って、重要度係数Ｑ_Ｏ ^Ｏを大きな値に設定することにより、標的には必要十分な線量を保ちつつ（第１項，第２項）、標的周辺の領域への線量付与を最小にするために“どの位置”に“どのイオン種”を“どれくらい”照射するかを決定できる。
この第１の評価指標ｆを用いることで、１種類のイオン種のみを用いる従来例より腫瘍への線量集中性を高めることができる。

＜２＞ 第２の評価指標ｆ
第２の例として、評価指標ｆは、次の数３に示す数式で算出することができる。

この［数３］に示す数式の第３項は、悪性度の強い腫瘍の領域Ｔ’に対する照射量が下限許容値を下回る場合に対するペナルティを示しており、Ｑ_Ｔ’ ^ｏとＨ’［（減算）］^２の乗算となっている。（減算）部分は、複数種類のイオン種ｍの核種をｗ_ｍ個照射した場合に標的の各位置ｊ（患者体内の３次元位置）に与えるエネルギ量ＬＥＴを、下限許容値となる最大エネルギ量ＬＥＴ_Ｔ’ ^ｍｉｎから減算する式である。Ｈ’［ ］部分は、線量が下限許容値以上になれば、この第３項は、適切な値であるからゼロとなり、評価指標ｆを増加させない。Ｑ_Ｔ ^Ｏは、ペナルティ係数であり、大きく設定するとＨ’［（減算）］^２で算出される下限許容値を下回る値が評価指標ｆに大きく影響を与える。

このように、［数３］に示す数式の第３項を追加することにより、腫瘍内の一部の領域（Ｔ’）のＬＥＴをある値ＬＥＴ_Ｔ’ ^ｍｉｎを下回らないように制限を設けることができる。
この第２の評価指標ｆを用いることで、腫瘍内に含まれる正常細胞とがん細胞の放射線感受性の違いなどに応じた効果的な治療を提供できる。

＜３＞ 第３の評価指標ｆ
第３の例として、評価指標ｆは、次の数４に示す数式で算出することができる。

この［数４］に示す数式では、生物的な効果を規定するパラメータαを仮定する誤差の範囲α_ｍｉｎ≦α≦α_ｍａｘで変化させ、全てのαについて標的内の線量分布が次の数式［数５］に示す許容値内に収まるようなイオン種ごとの重みｗ_ｍを最適決定する。ここで、φ（α）はαをとり得る確率（確率密度関数）である。

この第３の評価指標ｆを用いることで、生物学的効果比（ＲＢＥ）や照射、位置決め誤差の影響を受けにくいＲｏｂｕｓｔな治療を提供できる。

＜４＞ イオン種別の深さ制限の設定
イオン種（核種）について加速可能な最大エネルギを超えた深さには、線量カーネルを作成できない。従って、最大深度データ６８にイオン種別の最大深さを登録しておき、深さによって選択可能なイオン種を制限する。これにより、あるイオン種について加速可能な最大エネルギを超える深さには、そのイオン種よりも軽いイオン種を照射することとなる。例えば、酸素では１６ｃｍ、炭素では２２ｃｍ、ヘリウムでは６６ｃｍを照射できるシンクロトロンを備える施設では、そのスペックを治療計画に登録して制限することで、おのずと２２ｃｍを超える位置にはヘリウムが照射されることになる。
これにより、荷電粒子照射システム１を用いた重粒子線治療装置の低価格化および小型化などの効果が得られる。

このように、イオン種を複数用いることにより生じる自由度を利用して、＜１＞から＜４＞に示したように目的に合わせてインバースプランニングの目的関数を定式化することで、その目的に合致した照射パラメータを自動決定することができる。

図２は、計画装置７０のＣＰＵ７１が計画プログラム７３に従って照射パラメータデータ６７を作成する処理のフローチャートである。このフローチャートにおけるステップＳ１～Ｓ１４を実行するＣＰＵ７１は、複合照射パラメータ決定手段として機能する。
まず、ＣＰＵ７１は、入力部７４により、別途のＣＴ撮影により得られたデータに基づく標的／重要臓器のデータの入力を受け付ける（ステップＳ１）。このデータ入力は、例えば表示部７５に表示するＣＴ撮影画像において、ＧＴＶとＣＴＶの各領域を医師が囲うことで入力される。ＧＴＶは、画像や触診で確認できる肉眼的腫瘍体積であり、ＣＴＶは、ＧＴＶと顕微鏡的な進展範囲を含む臨床標的体積である。またこのとき、評価指標ｆが十分小さい値であるとして許容できる許容評価値Ｃの入力も許容する。

ＣＰＵ７１は、照射するイオン種を決定する照射イオン種決定処理を実行する（ステップＳ２）。ここで、イオン種数をＭ、イオン種をｍ＝１，Ｍとして決定する。このイオン種の決定は、イオン源２から照射可能なイオン種によって定まるため、照射可能イオン種データを計画装置７０の記憶部７２に予め記憶しておき、この照射可能イオン種データを読み出して決定してもよい。なお、照射するイオン種は、２種類以上のイオン種であり、第１のイオン種（軽いイオン種）と、第１のイオン種よりも重い第２のイオン種が少なくとも含まれる。また、照射するイオン種の種類は、荷電粒子照射システム１で選択可能な複数のイオン種（例えば４種など）のうち、使用する複数のイオン種（例えば３種など）を治療計画者によって入力されるか、あるいは使用するイオン種を決定するアルゴリズムを定めておいてＣＰＵ７１が自動的に決定するなど、適宜の方法によって決定できる。

ＣＰＵ７１は、入力された標的／重要臓器のデータに対して、イオン種毎にペンシルビーム（荷電粒子）を照射する照射方向を決定する照射方向決定処理を実行する（ステップＳ３）。各イオン種の荷電粒子の照射方向は、操作者による入力によって決定されるか、あるいは照射方向を決定するアルゴリズムを定めておいてＣＰＵ７１が自動的に決定するなど、適宜の方法で決定できる。なお、照射する方向毎に異なるイオン種を設定することが好ましいが、一方向から複数のイオン種を照射することも可能である。また、基本的には、人や動物等の生体の体表面からＣＴＶの領域の奥側の境界までの距離をＣＴＶ距離としたときに、軽いイオン種の荷電粒子のＣＴＶ距離よりも、重いイオン種の荷電粒子のＣＴＶ距離の方が短くなるように照射方向を決定することが好ましい。すなわち、重いイオン種の荷電粒子のＣＴＶ距離よりも、軽いイオン種の荷電粒子のＣＴＶ距離の方が長くなるように照射方向を決定することが好ましい。なお、ＣＴＶ距離は、体表面からＣＴＶの領域の中心までの距離としてもよい。

ＣＰＵ７１は、照射する荷電粒子のイオン種の照射する順番（照射順序）を決定する照射順序決定処理を実行する（ステップＳ４）。詳述すると、ＣＰＵ７１は、軽いイオン種の荷電粒子を先に照射し、重いイオン種の荷電粒子を後から照射するように照射順序を決定する。３種類以上のイオン種の荷電粒子を使用する場合は、軽いイオン種の荷電粒子から順に照射して最も重いイオン種を最後に照射する。この照射順序は、操作者による入力によって決定されるか、あるいは照射順序を決定するアルゴリズムを定めておいてＣＰＵ７１が自動的に決定するなど、適宜の方法で決定できる。このステップＳ４を実行するＣＰＵ７１は、照射順序決定手段として機能する。この照射順序決定手段は、この構成に限らず、操作者が照射順を入力する操作を受け付けて入力された照射順が軽いイオン種から重いイオン種の順になっていない場合にアラーム表示を出す、あるいは、最初に指定したイオン種よりも重いイオン種しか指定できないように選択不可とするなど、適宜の構成とすることができる。

ＣＰＵ７１は、複数のイオン種の荷電粒子の各照射の照射タイミングの時間間隔（照射間隔）を決定する（ステップＳ５）。この照射間隔は、操作者による入力によって決定されるか、あるいは照射間隔を決定するアルゴリズムを定めておいてＣＰＵ７１が自動的に決定するなど、適宜の方法で決定できる。各照射タイミングの時間間隔は、最長でも２時間以内とすることができ、１時間以内とすることが好ましく、３０分以内とすることがより好ましい。また、照射タイミングの時間間隔は、照射装置が照射するイオン種を切り替えるために必要な最短の時間以上とすることができる。照射装置が照射するイオン種を切り替えるために必要な最短の時間は、照射装置、照射するイオン種、照射方向等によって適宜変更される。

ＣＰＵ７１は、生体の体内の標的／重要臓器に線量処方を行う（ステップＳ６）。ここでは、［数１］から［数５］に示した上限許容値Ｄ^ｍａｘや下限許容値Ｄ^ｍｉｎなどを、医師の指示のもと、治療計画者が入力部７４で入力する。

ＣＰＵ７１は、各イオン種についてステップＳ３の照射方向決定処理で決定した照射方向毎にペンシルビームの照射位置を決定する（ステップＳ７）。照射位置は、ＰＴＶの全領域（これが標的となる）に対して、ビームスポットを３次元位置で密に配置することで決定する。ここで定められた照射位置の全体がターゲットＴとなり、照射位置の１つ１つがイオン種のペンシルビームを照射するスポットとなる。なお、ＰＴＶとは、ＣＴＶに照射誤差を含めた計画標的体積である。また、ＣＰＵ７１は、照射位置のうちＧＴＶに対応する部分を悪性度の強いターゲットＴ’として設定し、照射位置の周囲をＯＡＲである保護領域Ｏとして設定する。

ＣＰＵ７１は、ペンシルビームの線量カーネルｄ（ｉ，ｍ）を作成する（ステップＳ８）。ここでｉは照射位置（スポットＩＤ）を示し、ｍは体積を示す。
ＣＰＵ７１は、ペンシルビームの重みｗ（ｉ，ｍ）の初期値を決定する（ステップＳ９）。この初期値は、スポットにどの種類の核種をどの順番で何個照射するかのおよそのオーダーに基づいてＣＰＵ７１が決定する。

ＣＰＵ７１は、重みに従って線量Ｄを計算する（ステップＳ１０）。この線量計算により、どの位置にどのイオン種をどれだけ照射するかを決める照射パラメータデータ６７の候補が得られる。

ＣＰＵ７１は、標的には必要十分な線量で、かつ重要臓器の被爆が許容値以下となるように、評価指標ｆを導出する（ステップＳ１１）。このとき、複数種類のイオン種を混合照射する部位については、どのイオン種をどの順番でどれだけ照射したかによって変化するがん細胞の殺傷効果を表す実効的な線量（実効線量）を加味して算出する。この照射順によって変化する実効線量は、事前に検証して求めておく、演算式によって求める、多数の照射事例を機械学習させたＡＩ（人工知能）により算出するなど、適宜の方法によって算出できる。

ＣＰＵ７１は、評価指標ｆがＣ未満となるか、変数ｎがＮより大きくなるまで（ステップＳ１２：Ｎｏ）、ペンシルビームの重みｗ（ｉ，ｍ）を更新して変数ｎを１加算し（ステップＳ１３）、ステップＳ１０からＳ１３を繰り返す。ここで、Ｃは評価指標ｆが十分小さいとして許容できる許容評価値であり、Ｎは最大繰り返し回数である。従って、評価指標ｆがＣ未満と十分小さくなるか、最大繰り返し回数となれば、繰り返し演算を終了する。また、重みｗ（ｉ，ｍ）の更新は、照射する全領域のデータを更新すると良いが、これに限らず、スポット別に、現在記憶されている値と今回計算した値を比較し、今回計算した値が好ましい場合にそのスポットの値を更新してもよい。

評価指標ｆがＣ未満となるか、変数ｎがＮより大きくなれば（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ７１は、照射パラメータデータ６７を制御装置５０へ出力し（ステップＳ１４）、処理を終了する。このとき、ＣＰＵ７１は、イオン種の照射順、照射方向、照射タイミングの時間間隔が適切か否かを判定し、複数種類のイオン種の照射順序が軽い順になっていない場合、複数の照射方向を適切に活用できてない場合、および照射タイミングの時間間隔が長すぎるまたは短すぎる場合、エラー表示を行うことが好ましい。このエラー表示によって照射の順序、方向、時間間隔のうち不適切な部分を治療計画者が認識でき、再度照射計画を作成しなおすことができる。

以上の動作により、複数種類のイオン種を用いた照射パラメータデータ６７を作成することができる。荷電粒子照射システム１の制御装置５０は、この照射パラメータデータ６７に従って、１の標的（一人の患者の照射領域）に対して複数種類のイオン種を切り替えて照射することができる。このように、複数のイオン源２Ａ～２Ｃを有し、一回の治療行為で、イオン種の切り替え、加速、取り出し、照射方向の変更、およびその照射を行い、エネルギとイオン種を切り替えることで、腫瘍内における任意の線量／線質分布を実現することができる。

このようにして作成された照射パラメータデータ６７により、腫瘍に対して照射するイオン種の配置は、例えば図３（Ａ）の照射イオン種分布図に示すように設定される。この図は、照射イオン種分布の縦断面をビーム進行方向側面から見た図である。標的８０全体を埋め尽くすように照射スポットＳＰが３次元に配置されている。この例では、照射方向手前側（体表面８８に近い側）とＸＹ方向の周辺部を重いイオン種（この例ではオキシジェンＯ）を主とする第１照射領域８２とし、腫瘍中心部をそれより軽いイオン種（この例では炭素Ｃ）を主とする第２照射領域８３とし、照射方向奥側をさらに軽いイオン種（この例ではヘリウムＨｅ）を主とする第３照射領域８４としている。第１照射領域８２、第２照射領域８３、第３照射領域８４には、一部または全部について複数種類のイオン種を組み合わせた荷電粒子が照射される。例えば、第１照射領域８２は、重いイオン種（この例ではオキシジェンＯ）を主としつつそれより軽い中程度のイオン種（この例では炭素Ｃ）を混合し、第２照射領域８３は、中程度のイオン種（この例では炭素Ｃ）とそれより軽いイオン種（この例ではヘリウムＨｅ）を混合し、第３照射領域８４は軽いイオン種（この例ではヘリウムＨｅ）のみとするといったことができる。このように照射することで、散乱が小さく、核破砕片生成量が多く、ＬＥＴが高い特性を有する重いイオン種と、散乱が大きく、核破砕片生成量が少なく、ＬＥＴが低い特性を有する軽いイオン種の良い点を組み合わせ、かつ、異なるイオン種の照射による高い効果を利用して、標的８０内の部位別（各照射領域８２，８３，８４別）に好適な線質の照射を行うことができる。すなわち、標的の辺縁（照射方向の垂直方向周囲部）には重いイオン種を照射して散乱を小さくし、標的下流側（照射方向の奥側）には軽いイオン種を照射して核破砕片による標的後方への線量付与を軽減し、標的上流側（照射方向の手前側）には重いイオン種を照射してＬＥＴを高くすることで、周辺の正常組織の被爆を最小限に抑えつつ標的８０に線量を集中させることができる。そして、異なるイオン種を混合することで、単独のイオン種よりも高い効果を得ることができる。なお、ここでいう混合とは、複数種類の核種を物理的に混ぜて照射するのではなく、照射タイミングを異ならせて同じ部位に異なるイオン種を重複して照射することをいう。

なお、各照射領域８２，８３，８４は、それぞれの照射スポットにおいて複数のイオン種の組み合わせでイオン種別に照射量（荷電粒子の照射個数）の割合を異ならせる、あるいは、単一のイオン種のみ照射する照射スポットと複数種類のイオン種を照射する照射スポットとを混在させるなど、適宜の照射設定とすることができる。

図３（Ｂ）は、制御装置５０が強度変調混合イオン照射法により照射パラメータデータ６７に従って複数のイオン種を用いて照射した深度線量分布図を示す。この図は、図３（Ａ）と共に説明したように、照射方向手前側（深度の浅い部分，上流側）に重いイオン種、照射方向奥側（深度の深い部分，下流側）に軽いイオン種を照射した場合の例である。

図示するように、臨床線量９１（Ｄ_ｃｌｉｎ）に対して、物理的なエネルギ量を示す第１イオン種照射線量９４と第２イオン種照射線量９５と第３イオン種照射線量９６を組み合わせて標的内の線質（ＬＥＴ）の分布をなだらかに保つようにする。図示の例では、重いイオン種であるオキシジェンを照射方向手前側で他のイオン種より多い割合で照射して第１イオン種照射線量９４とし、次に重いイオン種である炭素を照射方向中央付近で他のイオン種より多い割合で照射して第２イオン種照射線量９５とし、これらより軽いイオン種であるヘリウムを照射方向奥側で他のイオン種より多い割合で照射して第３イオン種照射線量９６としている。

このようにして、複数のイオン種を組み合わせることで線質（粒子種とＬＥＴ）を任意に変化させつつ標的内に一様な臨床線量分布を実現することができる。これにより、複数のイオン種を組み合わせて標的内の線質（ＬＥＴ）の分布をなだらかに保つことができ、ＲＢＥ９２に誤差９２ａ，９２ｂが生じた場合にも、臨床線量９１の分布のゆがみ９１ａ，９１ｂを小さく抑えることができる。

腫瘍内の正常細胞やがん細胞の放射線感受性に応じて、複数のイオン種により与える線質分布を最適化することで、正常細胞は温存しつつがん細胞だけを殺傷し得る。

深部の照射には軽いイオン種を用いることで、加速エネルギが低い加速器で体深部の治療を行うことができる。すなわち、重いイオン種を深部まで届かせるためには加速エネルギを高くする必要があるが、本発明によれば深部については軽いイオン種を用いて低い加速エネルギで済むため、全体として必要とする加速エネルギを下げられる。このため、加速器の低価格化や小型化が実現でき、重粒子線治療の普及に貢献できる。

また、複数イオン種を用いることで、一方向からの単門照射においても線量だけでなく線質の空間分布を任意に設定することができ、従来の単一イオン種のみを用いるよりも腫瘍への線量集中性を高めることができる。また、生物学的効果比（ＲＢＥ）や照射、位置決め誤差の影響を受けにくい治療を提供できる。また、腫瘍内に含まれる正常細胞とがん細胞の放射線感受性の違いなどに応じた効果的な治療を提供できる。また、標的内に与える線量分布と線質分布を、回転ガントリのような大規模な装置を必要とせずに実現できる。

ここで、実際に複数種類のイオン種の荷電粒子を別々の方向から標的に照射する一例を図とともに説明する。
図４は、複数種類のイオン種の荷電粒子を照射した場合の一例を説明するＣＴ撮影画像である。
本実施例では、ヘリウム（Ｈｅ）と酸素（Ｏ）の２種類のイオン種を荷電粒子として照射した。
図４に示すように、荷電粒子を照射する体内には、照射対象であるがん細胞といった標的の範囲として、ＧＴＶ領域１００とＰＴＶ領域１０１の各領域が設定されている。このとき、酸素（Ｏ）より軽いイオン種であるヘリウム（Ｈｅ）の荷電粒子が照射されるヘリウム照射方向１０２は、酸素（Ｏ）の荷電粒子が照射される酸素照射方向１０３よりも体表面から体内に存在する肉眼的腫瘍体積ＧＴＶ（ターゲットＴ´、ＧＴＶ領域１００）までの距離（ＣＴＶ距離）が大きい（長い、遠い）方向に設定されている。このとき、各イオン種の荷電粒子が照射される方向が成す角度は、図４に示すような９０度に限らず、照射される身体上の部位（体、足、腕等）と、各部位の体表面から肉眼的腫瘍体積ＧＴＶまでの距離によって適宜設定される。また、各イオン種の荷電粒子が照射される経路を示す照射線は、肉眼的腫瘍体積ＧＴＶの範囲内で、いずれかの方向から見たときに交差するように設定される。

また、上述したような方法で耳下腺癌細胞（ＨＳＧｃ－Ｃ５細胞）に対して、ヘリウム（Ｈｅ）の荷電粒子（ヘリウム線）と酸素（Ｏ）の荷電粒子（酸素線）の照射順序を変更してそれぞれ９０秒間照射し、照射後のＨＳＧｃ－Ｃ５細胞の生残率を測定した。照射パラメータは、アクリル内８．５～１４．５ｃｍの深さにおける耳下腺癌細胞の生残率が１０％となるように計画し、ヘリウム線と酸素線の照射タイミングの間隔は２０分とした。また、同じ条件の実験を別日にも実施した。

図５は、ヘリウム線および酸素線の連続照射の深部線量分布グラフ（図上段）と、深部生残率分布グラフ（図下段）である。
図５の深部生残率分布グラフに示すように、酸素の荷電粒子（酸素線）を照射した後に、酸素より軽いヘリウムの荷電粒子（ヘリウム線）を照射した場合（Ｓ_ｅｘｐ（Ｏ－Ｈｅ）、下段グラフ実線）は、深さ（Ｄｅｐｔｈ ｉｎ ＰＭＭＡ、グラフ横軸）が８．５～１４．５ｃｍの範囲におけるＨＳＧｃ－Ｃ５細胞の生残率（Ｓｕｒｖｉｖａｌ Ｆｒａｃｔｉｏｎ、グラフ縦軸）が１０％程度となり、照射計画通りの結果となった。
一方で、ヘリウムの荷電粒子（ヘリウム線）を照射した後に、ヘリウムより重い酸素の荷電粒子（酸素線）を照射した場合（Ｓ_ｅｘｐ（Ｈｅ－Ｏ）、下段グラフ破線）は、ＨＳＧｃ－Ｃ５細胞の生残率が５％程度となり、照射計画より高い効果が得られた。
なお、深部生残率分布グラフにおける○と△のスポットの違いは、同じマークのスポットは同日に実験し、異なるマークのスポットは異なる日に実験した実験結果である。気温などが異なる別日に同様の実験を行っても、ヘリウムの荷電粒子（ヘリウム線）を照射した後に酸素の荷電粒子（酸素線）を照射した場合の方が、生残率が低くなった。

以上の構成により、標的の治療効果を高めることができる照射計画装置、照射計画プログラム、照射計画決定方法、および荷電粒子照射システムを提供できる。
ＣＰＵ７１は、荷電粒子の照射順序を、軽いイオン種の荷電粒子を先に照射し、重いイオン種の荷電粒子を後から照射するように決定する。すなわち、荷電粒子の照射順序を、線エネルギ付与が小さいイオン種の順序が先になるように決定する。この構成により、軽いイオン種の荷電粒子の照射によって、ある程度がん細胞（標的）にダメージを与え、その後、重いイオン種の荷電粒子によってがん細胞（標的）に、より大きなダメージを与えることができる。すなわち、軽いイオン種と重いイオン種の相乗効果を好適に発揮させることができ、単一のイオン種の荷電粒子のみをその部位に照射した場合や、重いイオン種の荷電粒子をその部位に先に照射して軽いイオン種の荷電粒子をその部位に後に照射した場合よりも高い治療効果を得ることができる。このとき、必要な加速エネルギは、順序を特定しない照射と同程度となる。したがって、体内の通常の細胞（正常組織）に対するダメージを大きくすることなく、高い治療効果（標的（がん細胞）に対する高い殺傷効果）を得ることができる、また、患者の体力や腫瘍の大きさ等を考慮して、順序を特定しない照射と同程度の治療効果を得ようとした場合であっても、必要な加速エネルギを小さくすることができる。したがって、体内を通過する際の線量が小さくなり、体内の通常の細胞に対するダメージを小さくすることができる。すなわち、疾患や患者の状態に合わせて荷電粒子の加速エネルギを調整することで、順序を特定しない照射と比較して、体内の通常の細胞へのダメージを低く保ちながら、治療効果をさらに高めることができる。

ＣＰＵ７１は、軽いイオン種の荷電粒子の照射方向を、重いイオン種の荷電粒子の照射方向よりも体表面から悪性度の高い標的の領域（ＧＴＶ）までの距離（ＣＴＶ距離）が大きく（長く、遠く）なるように決定する。この構成により、重いイオン種の荷電粒子は、軽いイオン種の荷電粒子よりも体内の移動距離が小さく（短く）なる。したがって、正常組織へのダメージを低く保ちながら、標的の治療効果を高めることができる。また、重いイオン種の荷電粒子の照射距離を小さくできるため、全体として必要とする加速エネルギを下げることができる。したがって、加速器の低価格化や小型化が実現でき、重粒子線治療の普及に貢献することができる。

ＣＰＵ７１は、複数のイオン種の荷電粒子の各照射の照射タイミングの時間間隔を２時間以内とする。この構成により、軽いイオン種の荷電粒子の照射によって、ある程度がん細胞（標的）にダメージを与え、がん細胞が修復するより前に、重いイオン種の荷電粒子によってがん細胞（標的）により大きなダメージを与えることができ、高いがん治療効果を得ることができる。

この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

例えば、計画プログラム７３として例示した本発明の照射計画プログラムを、非一時的な（非一過性の）有形の記憶媒体に記憶させ、照射計画記憶媒体７３ａ（図１参照）として提供することもできる。同様に、制御プログラム６０として例示した制御プログラムを、非一時的な（非一過性の）有形の記憶媒体に記憶させ、制御記憶媒体６０ａ（図１参照）として提供することもできる。

この発明は、標的に対して荷電粒子のビームを照射する荷電粒子照射システムに利用することができる。

１…荷電粒子照射システム
２…イオン源
２Ａ…第１イオン源
２Ｂ…第２イオン源
２Ｃ…第３イオン源
４…線形加速器
５…シンクロトロン
６７…照射パラメータデータ
６８…最大深度データ
７０…計画装置
７１…ＣＰＵ
７２…記憶部
７３…計画プログラム

Claims (6)

1. 所定のイオン種の荷電粒子を加速器で加速して標的に照射する荷電粒子照射システムの照射パラメータを決定する照射計画装置であって、
   １つの前記標的に対する前記照射パラメータを、複数種類のイオン種の前記荷電粒子を組み合わせて決定する、複合照射パラメータ決定手段を備え、
   前記複合照射パラメータ決定手段は、
   前記標的内の少なくとも一部の部位に対して前記複数種類のイオン種の前記荷電粒子を照射するよう決定する照射イオン種決定処理と、
   前記照射イオン種決定処理により決定した前記複数種類のイオン種のうち線エネルギ付与が小さいイオン種の前記荷電粒子を先に照射するよう照射順序を決定する照射順序決定処理とを実行する
   照射計画装置。
2. 前記標的は、生体の体内に存在し、
   前記複合照射パラメータ決定手段は、
   前記複数種類のイオン種の前記荷電粒子の照射方向を決定する照射方向決定処理を実行する構成であり、
   前記照射方向決定処理は、線エネルギ付与が小さいイオン種の前記荷電粒子の照射方向を、線エネルギ付与が大きいイオン種の前記荷電粒子の照射方向よりも前記生体の体表面から前記体内の前記標的までの距離が長くなる方向に設定する処理である
   請求項１記載の照射計画装置。
3. 前記複合照射パラメータ決定手段は、
   前記複数種類のイオン種の前記荷電粒子の照射タイミングの時間間隔を２時間以内に設定する
   請求項１または２記載の照射計画装置。
4. コンピュータを、所定のイオン種の荷電粒子を加速器で加速して標的に照射する荷電粒子照射システムの照射パラメータを決定する照射計画装置として機能させる照射計画プログラムであって、
   前記コンピュータを、
   １つの前記標的に対する前記照射パラメータを、複数種類のイオン種の前記荷電粒子を組み合わせて決定する、複合照射パラメータ決定手段として機能させ、
   前記複合照射パラメータ決定手段に、
   前記標的内の少なくとも一部の部位に対して前記複数種類のイオン種の前記荷電粒子を照射するよう決定する照射イオン種決定処理と、
   前記照射イオン種決定処理により決定した前記複数種類のイオン種のうち線エネルギ付与が小さいイオン種の前記荷電粒子を先に照射するよう照射順序を決定する照射順序決定処理とを実行させる
   照射計画プログラム。
5. 所定のイオン種の荷電粒子を加速器で加速して標的に照射する荷電粒子照射システムの照射パラメータを決定する照射計画決定方法であって、
   照射計画装置が、
   １つの前記標的に対する前記照射パラメータを、複数種類のイオン種の前記荷電粒子を組み合わせて決定する、複合照射パラメータ決定手段を備え、
   前記複合照射パラメータ決定手段が、
   前記標的内の少なくとも一部の部位に対して前記複数種類のイオン種の前記荷電粒子を照射するよう決定する照射イオン種決定処理と、
   前記照射イオン種決定処理により決定した前記複数種類のイオン種のうち線エネルギ付与が小さいイオン種の前記荷電粒子を先に照射するよう照射順序を決定する照射順序決定処理とを実行する
   照射計画決定方法。
6. 荷電粒子を生成するイオン源と、
   前記イオン源で生成された前記荷電粒子を加速する加速器と、
   前記加速器から取り出される前記荷電粒子を標的に照射する照射装置と、
   これらの動作を制御する制御装置とを備えた荷電粒子照射システムであって、
   前記イオン源は、前記荷電粒子として異なるイオン種を生成する複数種類のイオン源で構成され、
   前記制御装置は、
   前記加速器に設けられた電磁石に流す電流値をイオン種別に定めた電流パターン記憶部と、
   １の前記標的に対して、使用する前記イオン源と前記電流パターン記憶部の電流値に基づいて前記加速器の前記電磁石に流す電流値を対応させて切り替え、前記複数種類のイオン種を切り替えて照射する複数イオン種照射制御部とを備え、
   前記複数イオン種照射制御部は、前記荷電粒子の照射を、線エネルギ付与が小さいイオン種を先に照射し、線エネルギ付与が大きいイオン種を後に照射する
   荷電粒子照射システム。

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